基于STC89C52的热水器冷水回流加热装置设计

孟伟强 姚军东 李泉泽 高华

摘要：人们日常生活使用热水器时，需要排除热水管道残留的冷水，使用体验较差。文章设计了一款可以使冷水回流加热的热水器，该热水器的创新点在于在热水管道中加一个电磁三通阀，一端接热水器热水出水口，一端接在邻近的自来水管道中。当热水器需要出热水时，回水泵先行启动，抽出热水管道中残留的冷水，使其回流到附近的自来水管道中。抽水泵连接的三通电磁阀里安装有温度传感器，当水温达到设定值时，连接在自来水管道的阀门关闭，连接热水管道的阀门打开，放出的是热水。该装置与市场上的其他热水器相比，不需要一直循环加热，更加节能环保。

关键词：节约用水；三通电磁阀；回水泵；冷水回流

中图分类号：TP368  文献标志码：A

0 引言

在生活中使用燃料热水器时，需要提前排除管道里的凉水。家庭用热水一般有两个地方：厨房和卫生间。而厨房和卫生间的位置在大多数的户型中都距离较远，但热水器只能安装在一处，所以离热水器远的一方铺设的管道非常长。据调查，在使用热水器前排放冷水这个问题影响了用户的体验，给人们带来了不便。因此，使用本装置可以通过回流装置直接排出热水，让用户无须浪费掉这一部分冷水，给人们的生活带来便利和良好的使用体验。

1 系统设计

1.1 热水器冷水回流装置流程

在使用燃气热水器时，回水泵启动，同时进行冷水加热，温度传感器感应到冷水时，连接热水管道的阀门不会打开，当感应到热水流过时，阀门才会打开。现在市场上也有类似的热水器，但这种热水器需要在中间铺设较长的回流管道，工作时需要不停地回流加热，大大增加了耗电量和耗气量。本装置只需将热水管道中的冷水抽出排到邻近的自来水管道中，更加节能。热水器的工作原理及流程如图1所示。

1.2 热水器冷水回流装置最小控制模块的设计

STC89C52是一个极低功耗、高性能的8位微控制器，具有在8K系统可编程的Flash存储器［1］。在其单个芯片基础上，拥有高度可灵活控制的8位可编程的CPU内核和内嵌在嵌入式系统内的可编程的Flash，使STC89C52可以更加轻松地为众多复杂的嵌入式和工业控制与应用集成系统及产品应用提供更加灵活、高效而可靠易用的解决方案，因此，本研究推荐使用STC89C52芯片直接作为实现本套装配置功能的主控芯片。因为单片机系统工作需要始终稳定在直流5 V交流電源模式下，所以该系统需要一直采用交流5 V的电源［2］。此电源为开关电源，内腔安置了保护熔丝，后期采用的是滤波式输出，电压波形输出都十分稳定。

1.3 热水器冷水回流装置回水泵控制电路的设计

回水泵驱动电路是接在三通阀与自来水管道一端的装置（见图2）。当燃气热水器系统需要送出大量热水时，回水泵应先行强制启动，将进热水管道中溢出的大部分冷水直接抽回自来水管道中排出去。当与燃气热水器一端相连处的热水管道孔中装设的温度感应检测探头装置检测感应到有热水管流过，与自来水管道末端相连部位的三通阀一端上的进出水接管口阀门将会同时关闭［3］。与热水管道中间一段相连后的三通阀的出水口将会完全打开，流出大量热水，原先在热水管道中的冷水被再次利用。

随着电路中S1闭合和2N1132导通，K1闭合，K2闭合，M1断开得电（见图2）。需要注意的是，单片机驱动电路在有效地复位后，可能会始终处在极低电的电平，因为一般在一个单片机开机启动的瞬间复位后，一般处于较高电平，在低电平的有效复位过程中，很可能产生一些误动作，造成严重后果。一般这些情况下的单片机电路驱动的电感性负载等可能会直接对单片机电源的性能产生严重影响，造成单片机电路自动复位或者失效等。因此，一般在短路的情况下，单片机应首先考虑使用带RC的自动复位的保护复位电路。在本系统的设计过程中，由于K1的线圈本身是高频感性负载，启动运行时瞬间短路也可能对高频电源信号输入端产生较大的信号干扰，可以采用的处理方法是先通过反电路再并联上另外一只整流二  极管。

1.4 L298N工作原理

回水泵驱动模块电路确定后，要确定如何操作该模块电机的转动，使其能抽出热水管道中的冷水。L298N模式选择的控制方法如表1所示。

基于表1的控制方法，当回水泵将热水管道的冷水抽出流入自来水管道时，只需要将单片机的引脚置高电平和低电平，因为不需要反转进行抽水，所以不需要将接引脚的高低电平相互对调，由此实现了由L298N驱动回水泵电机抽水设计的过程。

1.5 热水器冷水回流装置的温度传感器

本设计首先使用了DS81B20型单线智能温度传感器，是一种适配微处理器总线接口技术的新型单线智能温度传感器，可直接供用户广泛地设计开发用于电子工业、民用、军事与侦察等重要领域的精密温度参数传感测量仪表、温度自动化过程控制与分析研究仪器、测控显示系统设备和各类军用与大型检测系统设备［4］，具有体积尺寸小、接口设计方便简单的显著优点，因此，在设计工作中普遍采用了此接口元器件［5］。DS18B20数字温度计可以提供多达9个位的温度读数以指示器件上的实际温度。此温度传感器安装在电磁三通阀301，其内部结构如图3所示。

1.6 热水器冷水回流装置三通电磁阀的控制系统

三通电磁阀主要通过电流通过电磁阀中的线圈来控制阀门的开关，三通电磁阀的结构有3种，分别分为一进两出、两进一出和一进一出。本装置使用的是一进两出。一进两出（常闭式）的特殊结构工作原理是：当一个三通电磁阀接口孔中的一个线圈通电而启动工作时，接口中的一个301孔直接通向接口孔的302，接口端上的接口303的线圈就会自动通电和自动关闭。当电磁阀口端中的线圈通电断了电工动作时，接口1会启动通电和自动关闭，接口302自动通向接口303。一进两出（常开式）的工作原理是：当电磁阀中的线圈通电时，接口303通向接口302，接口302自动关闭。当电磁阀口中的线圈发生断流电工振作情况时，接口303随之自动关闭，接口301自动通向关闭接口302，其结构如图4所示。

電磁三通阀的301口接热水器热水管道出水口，在其内壁安装有温度传感器，302口接在热水管道出水口，303口接在自来水管道口，与回水泵相连。

2 结语

本装置的应用可以有效地达到节约用水的目的，便于人们使用热水器，不必再储存冷水，安装也更加方便，不用担心安装空间不够，不用再铺设较长的热水回流管，有利于产品的更新换代，大大扩大了生产与推广的范围。但本装置也有一些缺点，回水泵加热的耗气、耗电及产生的噪声等因素会产生高昂的费用，影响用户的使用体验，因此，可以优化热水管道与自来水管道衔接管道的安装路线，从而减少回水泵的耗电情况，在回水泵安装一些隔音装置，达到减少噪声的目的。

参考文献

［1］单一森.R744/R290热泵热水器供热侧换热器优化设计与实验研究［D］.郑州：郑州大学，2021.

［2］张政.冷凝式燃气热水器换热器设计及优化［D］.济南：山东大学，2020.

［3］杨雄义.智能家居控制系统设计及热水器智能控制实现［D］.西安：西安科技大学，2017.

［4］任仁凯.智能家居中的太阳能热水器控制系统设计［D］.南京：南京师范大学，2017.

［5］刘世洲.自发电式燃气热水器控制器的设计与实现［D］.苏州：苏州大学，2016.

（编辑 何 琳）

Design of cold water reflux heating device for water heater based on STC89C52

Meng  Weiqiang， Yao  Jundong， Li  Quanze， Gao  Hua

（School of Electronic and Electrical Engineering， Anhui Sanlian University， Hefei 230601， China）

Abstract：  When people use the water heater in their daily life， they need to remove the residual cold water from the hot water pipe， and the use experience is poor. This paper designs a water heater that can make cold water return to heat. The innovation of this water heater is to add an electromagnetic three-way valve in the hot water pipe， one end of which is connected to the hot water outlet of the water heater， and the other end is connected to the adjacent water pipe. When the water heater needs hot water， the return pump shall be started first， and the residual cold water in the hot water pipe shall be pumped out to make it return to the nearby water pipe. The three-way solenoid valve connected to the pump is equipped with a temperature sensor. When the water temperature reaches the set value， the valve connected to the tap water pipe is closed， and the valve connected to the hot water pipe is opened， and the hot water is discharged. Compared with other water heaters on the market， this device does not need to be heated continuously， because it is more energy-saving and environmentally friendly.

Key words： save water; three-way solenoid valve; return water pump; cold water return